“三生空间”功能演变及对生态环境的响应

李雪 常胜 杨容 罗贤涛

摘要：以湖北省恩施州为例，构建“三生空间”功能分类体系，使用土地利用转移矩阵、重心转移模型、生态环境质量指数模型和生态贡献率模型研究“三生空间”功能演变及其对生态环境的响应。结果表明，2000—2020年，生活空间面积整体呈上升趋势，生态空间面积整体呈下降趋势，生产空间面积呈先下降后上升的趋势；生活空间转移距离最大，其次是生产空间，生态空间转移距离最小；生态环境质量整体呈下降趋势；农业生产用地转为重点生态用地和一般生态用地、一般生态用地转为重点生态用地是生态环境质量改善的主要因素，重点生态用地转为农业生产用地和一般生态用地是生态环境质量下降的主要因素。

關键词：三生空间；功能演变；生态环境响应；生态环境质量；湖北省恩施州

中图分类号：F301.2；X171.1         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）01-0057-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.01.010 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

The functional evolution of the “productive-living-ecological space”and its response to ecological environment： A case of Enshi Prefecture of Hubei Province

LI Xue1， CHANG Sheng1， YANG Rong1， LUO Xian-tao2

（1.College of Forestry and Horticulture， Hubei Minzu University， Enshi  445000， Hubei， China；2.College of Public Administration， Central China Normal University， Wuhan  430079， China）

Abstract： Taking Enshi Prefecture of Hubei Province as an example， a functional classification system of “productive-living-ecological space” was constructed， and the functional evolution of “productive-living-ecological space” and its response to the ecological environment was studied using the land use transfer matrix， center of gravity shift model， ecological environmental quality index model and ecological contribution ratio model. The results showed that， from 2000 to 2020， the overall trend of living space area was on the rise， the overall trend of ecological space area was decreasing， and the area of productive space showed a trend of first decreasing， and then increasing. The transfer distance of living space was the largest， followed by productive space， and the transfer distance of ecological space was the smallest. The overall ecological environment quality showed a downward trend. The transformation of agricultural production land into key ecological land and general ecological land， and the transformation of general ecological land into key ecological land were the major factors in the improvement of ecological environment quality； the transformation of key ecological land to agricultural production land and general ecological land were the major factors in the decline of ecological environment quality.

Key words： productive-living-ecological space； functional evolution； ecological environment response； ecological environment quality； Enshi Prefecture of Hubei Province

收稿日期：2023-07-31

基金项目：恩施大峡谷-腾龙洞世界地质公园申报项目

作者简介：李 雪（1992-），女，湖北恩施人，在读硕士研究生，研究方向为水土保持动态监测与土地可持续利用，（电话）18271716961（电子信箱）863294728@qq.com；通信作者，常 胜，男，副教授，博士，研究方向为国土空间规划，（电子信箱）63289998@qq.com。

中国社会经济的高速发展以及城镇化和工业化的深入推进引发土地利用不断转型与空间重构［1］，导致生态环境面临着前所未有的风险与挑战，甚至影响区域生态安全［2，3］。土地利用功能（生产、生活、生态功能）转型已成为研究土地利用变化的新视角［4］。2012年党的“十八大”提出，构建“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的国土“三生空间”，标志着“三生空间”协调发展对优化国土空间布局具有重要意义［5］。此后，关于“三生空间”的相关研究成为学术界研究的热点。

当前，关于“三生空间”的研究集中于分类体系［6］、功能识别［7］、功能评价［8］、格局演变［9］、耦合协调［10］、情景模拟等［11］。从研究尺度来看，集中于城市群［12］、经济带［13］、流域［7］等，很少关注山区土地利用功能演变对生态环境的影响。恩施州作为湖北省“后花园”，近年来在国家和地方政府大力支持下，恩施州土地利用功能发生显著变化，评价恩施州土地利用功能演变对生态环境的响应，有利于构筑恩施州生态安全底线，对优化国土空间布局具有重要的现实意义。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

恩施州位于湖北省西南部，由恩施市、利川市等8个县级行政区组成，土地总面积约为2.4万km2，2020年末总人口约为402万人。恩施州地势西北、东北部高，中部低，以高原、山地为主，生态环境脆弱。研究区自然资源丰富、民族文化浓郁、区域位置优越，是通往蜀地的重要咽喉。恩施州享受西部大开发战略政策，自2000年西部大开发战略实施以来，城镇化和工业化迅速推进，土地利用功能发生明显变化，研究恩施州“三生空间”功能演变对生态环境响应，对保护鄂西生态安全和实现区域社会经济发展具有重要的现实意义。

1.2 数据来源

研究区2000年、2005年、2010年、2015年和2020年5期土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心，分辨率为30 m×30 m；高程数据来源于地理空间数据云平台；行政区界线来源于2017版全国基础地理信息数据库。

2 研究方法

2.1 “三生空间”分类体系构建及生态环境质量指数计算

土地具有多功能性，但由于土地利用方式、目的、强度等不同，使不同土地利用类型的主导功能差异较大。因此，科学划分“三生空间”功能是本研究的重要基础。本研究参考中国科学院土地利用分类体系及文献［4，14-16］，划分恩施州“三生空间”功能分类体系（图1）。运用面积加权法计算恩施州各年份生态环境质量指数（表1）。

2.2 土地利用转移矩阵

该模型可以定量刻画“三生空间”功能转移数量和方向［17， 18］，公式如下。

式中，Pij为初期i类土地类型转为末期j类的土地类型面积；n为土地利用类型数量。

2.3 重心转移模型

该模型的基本原理是把研究区分为m个评价单元，运用ArcGIS软件计算得出m个评价单元的几何中心坐标，然后将几何中心坐標乘以m个评价单元某种功能用地面积，最后累加除以研究区功能用地总面积，即可求出研究区某种土地功能重心转移坐标［4，19］。其计算公式如下。

式中，X、Y为某种土地功能重心坐标；Wki为第k个评价单元i种土地功能面积；Xk、Yk为第k个评价单元地理坐标；n为地类数量。

重心转移距离（L）是某一时段相邻土地功能重心之间的距离。设第t、t+1年土地功能重心坐标分别为Ut（Xt，Yt）、Ut+1（Xt+1，Yt+1），则L的计算公式如下。

2.4 生态环境质量指数模型

生态环境质量指数模型是研究区“三生空间”功能用地具有的生态环境质量及与其面积占比综合作用的结果［4，20］，公式如下。

式中，EVk为第k个评价单元的生态环境质量指数；Ski为第k个评价单元第i类功能用地面积；Sk为第k个评价单元土地总面积；Ti为第i类功能用地的生态环境质量指数；n为“三生空间”的土地类型数量。

2.5 生态贡献率模型

生态贡献率模型是指土地利用功能转换影响区域生态环境质量的程度，正值表示生态质量改善，负值表示生态质量下降［4，21］，表达式如下。

式中，LEI为土地利用功能演变的生态贡献度；LEi、LEj为某种土地利用功能演变初期和末期所具有的生态环境质量指数；LA为变化面积；TA为土地利用功能总面积。

3 结果与分析

3.1 恩施州“三生空间”功能演变特征

由图2可知，在西部大开发战略的支持下，恩施州城镇化快速发展，生活空间面积整体呈上升趋势，从2000年的30.70 km2增加到2020年的113.47 km2，2020年较2000年增长了269.61%（图2a）；生态空间面积整体呈下降趋势，21年间减少56.59 km2，其中2015—2020年生态空间面积减少幅度最大，为59.80 km2（图2b）；生产空间面积呈先下降再上升趋势，2000—2005年基本不变，2005—2015年减少了97.15 km2，2015—2020年增加了69.04 km2（图2c），即使受耕地制度的严格保护，研究期内恩施州生产空间面积仍减少27.28 km2。

为进一步明晰恩施州“三生空间”功能演变特征，构建“三生空间”功能转移矩阵，结果见表2。2000—2005年，恩施州“三生空间”功能转移面积最大的是生态空间转为生产空间，转移面积为96.14 km2；其次是生产空间转为生态空间，转移面积为92.62 km2；生活空间少量面积转为生态空间和生产空间。2005—2010年，转移面积最大的是生产空间转为生态空间，转移面积为234.69 km2，与2000—2005年相比转移面积增速较快，约为上一期转移面积的2.5倍；其次是生态空间转为生产空间，转移面积为182.22 km2，值得注意的是，生态空间转为生活空间的面积首次达30.27 km2，生产空间转为生活空间面积是整个研究期间最高，达16.56 km2。2010—2015年，生态空间转为生产空间、生产空间转为生态空间与2005—2010年相比呈下降趋势，转移面积分别为65.79 km2和83.91 km2；生态空间转为生活空间面积为研究期内最高，转移面积为31.84 km2；生活空间有零星面积转为生态空间和生产空间。2015—2020年，生态空间转为生产空间、生产空间转为生态空间的面积迅速增加，转移面积分别为509.56 km2和445.09 km2；生产空间转为生态空间面积为研究期内最大。恩施州“三生空间”功能转移面积受国家宏观调控政策影响较大，近年来国家严厉禁止耕地转为其他用地，在一定程度上保护了耕地面积，在脱贫攻坚和产业扶贫政策支持下，生产用地难免转为生态用地。整体来看，恩施州主要以生态空间和生产空间相互转换为主。

3.2 恩施州“三生空间”重心转移

根据式（2）分别计算得出恩施州2000年、2005年、2010年、2015年和2020年的“三生空间”转移坐标及方向，根据式（3）得出恩施州重心转移距离结果（图3）。从“三生空间”功能重心位置来看，2000—2020年生产空间重心落在恩施市境内，原因是恩施市中部地势平坦、土壤肥沃，境内有清江河、带水河等多条河流贯穿境内，良好的土壤条件以及水源灌溉使恩施市成为农作物耕作高产区，该区域是湖北省最大的马铃薯种植基地和高标准农田建设基地；生态空间重心落在宣恩县境内，原因是宣恩县以山丘为主易于植被生长，同时宣恩县坚持“生态立县”的绿色发展理念，境内生态环境优美拥有宣恩贡水河国家湿地公园，是恩施州重要生态功能区；生活空间重心落在恩施市境内，恩施市作为州府驻地，近年来，恩施州着力打造恩施城区，城市基础设施建设较活跃。

从“三生空间”功能转移方向和转移距离来看，生活空间转移距离最大，21年转移了3 819.91 m（图3a）；生态空间向东南方向转移，21年转移距离为69.15 m（图3b）；生产空间向正北方向转移了239.08 m（图3c）。生态空间和生产空间转移距离较小，说明林地、耕地等地类受自然条件因素限制较大，短期变化不显著；生活空间受人类活动影响较大，故转移距离较大。

3.3 恩施州“三生空间”功能演变对生态环境的响应

3.3.1 恩施州生态环境质量时空演变 恩施州各年份生态环境质量指数结果见图4。恩施州生态环境质量整体呈下降趋势，由2000年的0.648 9下降到2020年的0.647 5。研究期内，恩施州生态环境质量变化幅度不大，但下降趋势占主导。可能原因是：一是在西部大开发战略、湖北省关于支持民族地区经济和社会发展等政策的支持下，恩施州社会经济飞速发展，城鎮化率由2000年的15.28%增长到2020年的45.86%，一定程度上导致生态环境质量下降，恩施州以山地为主，城镇化发展受地形等因素限制发展相对缓慢，因此短期内恩施州生态环境质量变化幅度不会太大，但恩施州生态环境质量整体呈下降趋势，当地政府应高度重视；二是恩施州生态环境质量同时存在改善和下降两种形式，改善和下降两种形式相互中和，下降略占主导地位。

由图5可知，研究期内，咸丰县、宣恩县和鹤峰县生态环境质量较高。咸丰县境内山峦起伏、海拔高、地形复杂等，在一定程度上限制了城镇化的发展，故生态环境质量高；宣恩县是典型的农业县，良好的土壤条件有利于植被生长，境内产业结构单一，工业化发展缓慢，故生态环境质量高；鹤峰县始终坚持生态优先发展理念，鹤峰县是恩施州首个国家生态文明建设示范县和全国森林康养基地试点建设县，境内森林覆盖率高达70%左右，故生态环境质量高。利川市、恩施市和巴东县生态环境质量相对较低。利川市作为恩施州人数最多的市域，人口流动强，且矿产资源丰富，开采矿石难免导致生态环境质量下降；恩施市作为州府驻地，是全州的政治、经济和文化中心，近年来，恩施市城区建设面积不断扩大，生态环境质量有所下降；巴东县积极推动城镇化战略，建成区面积不断扩大，城市基础设施不断完善，生态环境质量也面临着巨大压力。建始县和来凤县生态环境质量最低。建始县是重点产煤大县，因此生态环境质量低；来凤县积极推进“工业引领”战略，发展新型工业化，导致生态环境遭到破坏。从时间上对比恩施州8个县（市）生态环境质量评价结果可知，研究期间有6个县（市）生态环境质量指数处于下降趋势，占研究区的75%，因此生态环境质量下降是研究区的主要趋势，低值区主要分布在来凤县和建始县。

3.3.2 恩施州影响生态环境质量的主要功能地类转移及生态贡献率 研究区生态环境质量同时存在改善和下降两种相逆趋势，在一定范围内相互中和，使研究区生态环境质量处于平衡状态。恩施州各时段生态环境质量改善和下降的主要土地功能转移类型生态指数和生态贡献率见表3。恩施州2000—2005年、2010—2015年、2015—2020年3个时段的综合生态指数均为负数，2005—2010年的综合生态指数为正数，结合图4可知，恩施州生态环境质量整体呈下降趋势。

农业生产用地转为重点生态用地和一般生态用地、一般生态用地转为重点生态用地是生态环境质量改善的主要因素。2000—2005年农业生产用地转为重点生态用地的生态贡献率为46.29%，受国家退耕还林政策的影响，开始出现农业生产用地向生态用地转变；2005—2010年农业生产用地转为重点生态用地的生态贡献率在整个研究期最高，为48.20%；2010—2015年农业生产用地转为重点生态用地的生态贡献率下降，为47.86%；2015—2020年农业生产用地转为重点生态用地的生态贡献率为43.15%，与2010—2015年相比减少了4.71个百分点。

导致恩施州生态环境质量下降的主导因素是重点生态用地转为农业生产用地和一般生态用地。2000—2005年重点生态用地转为农业生产用地和一般生态用地是导致恩施州生态环境质量下降的主导因素，二者生态总贡献率为78.56%。恩施州作为少数民族聚居地，由于历史及交通等因素导致区域社会经济发展缓慢，区域产业结构单一，主要以农业维持生计，有“八山半水分半田”之说，耕地资源相对匮乏，当地居民为了生存与发展，砍伐树木、毁林开荒现象依然十分严重。2005—2010年重点生态用地转为农业生产用地、一般生态用地和水域生态用地的生态总贡献率为79.58%。2010—2015年重点生态用地转为农业生产用地和一般生态用地的生态总贡献率为65.13%；重点生态用地转为城乡生活用地的生态贡献率也较高，达18.02%，受城镇化政策等方面影响，恩施州城乡生活用地增加。2015—2020年重点生态用地转为农业生产用地和一般生态用地的生态总贡献率为83.05%。这一期重点生态用地转为城乡生活用地与2010—2015年相比减少了16.03个百分点，原因是进入高质量发展阶段，新型城镇化发展不像之前以扩张土地为主，是以人为核心的城镇化。

4 小结与讨论

4.1 小结

基于“三生空间”视角，利用ArcGIS软件空间分析功能、土地利用转移矩阵、重心转移模型、生态环境质量指数模型和生态贡献率模型分析了恩施州2000—2020年各时段“三生空间”功能演变及其生态环境响应，研究结果如下。

1）从“三生空间”面积变化来看，生活空间面积整体呈上升趋势，从2000年的30.70 km2增加到2020年的113.47 km2，2020年比2000年增长了269.61%；生态空间面积整体呈下降趋势，21年减少了56.59 km2，其中2015—2020年生态空间面积减少幅度最大，为59.80 km2；生产空间面积呈先下降后上升的趋势，2000—2005年基本不变，2005—2015年减少了97.15 km2，2015—2020年增加了69.04 km2。

2）从“三生空间”重心转移方向和距离来看，2000—2020年，生活空间转移距离最大，转移了      3 819.91 m；生态空间向东南方向转移，转移距离为69.15 m；生产空间向正北方向转移了239.08 m。

3）从生态环境质量指数看，恩施州生态环境质量整体呈下降趋势，咸丰县、宣恩县和鹤峰县生态环境质量较高；利川市、恩施市和巴东县生态环境质量相对较低；建始县和来凤县生态环境质量最低。

4）研究区生态环境质量同时存在改善和下降两种相逆趋势，农业生产用地转为重点生态用地和一般生态用地、一般生态用地转为重点生态用地是恩施州生态环境质量改善的主要因素；重点生态用地转为农业生产用地和一般生态用地是恩施州生态环境质量下降的主要因素。

4.2 讨论

研究发现，恩施州生活空间面积呈上升趋势，生态空间面积呈下降趋势。近年来恩施州加快社会经济发展步伐，城镇化得到飞速发展，但生态环境也面临着巨大压力，在未来发展中，恩施州应守好生态发展底线；恩施州地处山区，生态环境脆弱，应坚持“退耕还林”政策，同时严禁当地居民毁林开荒、砍伐树木、改变土地用途等。本研究仅讨论土地利用功能演变对生态环境響应，没有探讨生态环境响应的驱动机制，后续研究中将进一步探讨其驱动机制。

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